郝 翠， 曹新壘

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 工程概況

徽水河大橋是S11蕪湖至黃山高速公路的控制性節(jié)點(diǎn)，建設(shè)條件較為復(fù)雜。橋梁跨越徽水河特有魚(yú)類(lèi)國(guó)家級(jí)水產(chǎn)資源保護(hù)區(qū)，要求一跨過(guò)河，且G205遠(yuǎn)期存在升級(jí)改造需求，徽水河大橋橋位處為山谷地形，橋臺(tái)位置地形陡峭，橫斷面高程差別也較大，邊跨現(xiàn)澆段不宜過(guò)長(zhǎng)，以適應(yīng)托架施工或其他施工方案。該橋主橋采用雙索面低塔斜拉橋[1-3]，分幅布置。其中左幅跨徑組合為(48+80+40)m，右幅跨徑組合為(48+80+40)m+30m，其立面布置如圖1所示。

圖1 徽水河大橋主橋立面布置圖

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1) 道路等級(jí)：雙向四車(chē)道高速公路。

(2) 設(shè)計(jì)速度：80 km/h。

(3) 荷載等級(jí)：公路-Ⅰ級(jí)。

(4) 通航條件：無(wú)通航要求。

(5) 地震動(dòng)峰值加速度值0.05g，特征周期0.35 s，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

3 主橋設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系

本橋?yàn)楦叨?，?jīng)比選，采用墩塔梁固接體系[4，5]。

3.2 主 梁

主梁采用雙工字鋼板組合梁[6，7]，單幅組合梁橋面寬12.25 m。鋼主梁由鋼主梁、拉索區(qū)橫梁、一般橫梁和端橫梁組成，除端橫梁外均采用Q345qD工字形直腹板斷面。預(yù)制混凝土橋面板采用0.25 m的等厚板，與鋼主梁采用剪力釘連接。

3.2.1 鋼主梁

鋼主梁間距11.75 m，標(biāo)準(zhǔn)高度為1.5 m，采用“工”字形斷面，如圖2所示，上翼緣寬度為500 mm，標(biāo)準(zhǔn)段板厚14 mm；腹板厚度為16～30 mm；底板寬度為800～1 200 mm，厚度為36～50 mm。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

拉索區(qū)橫梁與斜拉索的位置一一對(duì)應(yīng)，縱橋向標(biāo)準(zhǔn)間距7.8 m，采用工字型斷面，高1 000 m，上翼緣寬500 mm，下翼緣寬500 mm。

在拉索橫梁之間設(shè)置一道普通橫梁，縱橋向標(biāo)準(zhǔn)間距3.9 m。

在主梁端部設(shè)置端橫梁，采用箱型斷面，高1 500 m，上翼緣寬1 100 mm，厚度為14 mm；腹板厚度為16 mm；下翼緣寬1 100 mm，厚度為24 mm。在端橫梁外設(shè)置C30鐵砂混凝土壓重。

3.2.2 橋面板

橋面板全寬12.25 m，板厚25 cm，支撐在由鋼主梁及橫梁組成的梁格體系上。橋面板設(shè)計(jì)為與上述梁格相結(jié)合的鋼筋混凝土結(jié)合構(gòu)件，混凝土橋面板與鋼主梁通過(guò)布置于鋼主梁及橫梁頂面的φ22圓柱頭剪力釘結(jié)合后共同受力。

橋面板分為預(yù)制和現(xiàn)澆兩部分，現(xiàn)澆部分為預(yù)制板間現(xiàn)澆縫、鋼主梁頂現(xiàn)澆帶。預(yù)制板間現(xiàn)澆縫寬50 cm，鋼主梁頂現(xiàn)澆帶寬90 cm。

3.2.3 塔梁固接構(gòu)造[8]

鋼主梁連續(xù)穿過(guò)橋塔上橫梁，并在鋼主梁腹板、頂板下緣及底板上、下緣焊接剪力釘。為進(jìn)一步改善塔梁固結(jié)處的受力情況，緊鄰橋塔橫梁外側(cè)，在腹板兩側(cè)焊接豎向加勁鋼板，加勁鋼板上焊接剪力釘且延縱橋向布設(shè)預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋。橋面板與混凝土塔橫梁間設(shè)置倒角，剛度平順過(guò)渡。

3.3 橋塔及基礎(chǔ)

橋塔采用H形外傾橋塔[9]，截面為矩形斷面，單肢橋塔縱橋向尺寸為3.0 m，橫橋向尺寸為1.5 m。

下塔柱間距為9 m，上塔柱外傾坡度為1∶6，中間通過(guò)圓曲線過(guò)渡。塔柱間設(shè)置兩道弧線形橫梁，下橫梁最小高度為2.5 m，寬度為2 m。塔梁固結(jié)處上橫梁最小高度為2.1 m，寬度與橋塔保持一致為3 m橫向預(yù)應(yīng)力。塔上斜拉索理論豎向間距1.0 m，橫向單排布置。單肢橋塔下設(shè)一根矩形樁基，縱橋向尺寸為3.5 m，橫橋向尺寸為2.0 m。樁頂設(shè)置系梁，高為1.8 m。

3.4 斜拉索及錨固構(gòu)造

斜拉索采用環(huán)氧噴涂鋼絞線，可單根穿束、單根張拉、單根測(cè)試檢測(cè)，并可以單根鋼絞線調(diào)索和換束。

1#橋塔設(shè)置5對(duì)斜拉索，2#橋塔設(shè)置4對(duì)斜拉索，橫向單排布置，梁上索距8.0 m，塔上索距1.0 m，拉索分別采用19、22、27根鋼絞線組成。斜拉索與主梁采用鋼錨箱錨固，橋塔上拉索采用鞍座錨固形式，如圖3所示。

3.5 施工方案

橋塔樁基采用人工挖孔樁。

橋塔墩身施工采用塔吊提升模板分節(jié)段施工，混凝土采用人工配合塔吊料斗入模。橋塔下塔柱直線段、上塔柱斜線段采用翻模分節(jié)澆筑，橋塔曲線段采用定型鋼模分節(jié)澆筑。下橫梁采用塔柱預(yù)埋牛腿并搭設(shè)貝雷梁支架現(xiàn)澆，模板采用定型鋼模；橋塔上橫梁采用塔柱預(yù)埋牛腿、下橫梁上設(shè)置鋼立柱并搭設(shè)貝雷梁支架現(xiàn)澆，模板采用定型鋼模板。橋塔橫梁與塔柱同步施工，施工人員利用專(zhuān)用安全爬梯上下。

為精確定位橋塔鋼筋位置，鋼筋綁扎時(shí)安裝勁性骨架。因本橋橋塔向外傾斜，高度較高、傾斜角度大，施工曲線段及上塔柱斜線段時(shí)，塔柱模板設(shè)置防傾拉桿，以提高施工中結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及剛度。

主橋鋼梁采取“節(jié)段拼焊→節(jié)段或散件吊裝→線形監(jiān)測(cè)→焊接連接焊縫→線形復(fù)測(cè)→涂裝”的方式進(jìn)行安裝施工。橋塔位置分別安裝塔吊。鋼主梁先進(jìn)行0號(hào)節(jié)段的安裝，墩塔梁固結(jié)范圍內(nèi)的鋼主梁與橋塔整體現(xiàn)澆；澆筑后，以0號(hào)節(jié)段為準(zhǔn)往中跨、邊跨側(cè)對(duì)稱安裝其他節(jié)段，直至合攏；對(duì)于散件安裝的節(jié)段，先安裝橋梁內(nèi)側(cè)主梁，再安裝橋梁外側(cè)的主梁，最后安裝橫梁。0號(hào)、1號(hào)節(jié)段在橋址地面拼焊成整體，安裝到橋上后，安裝橋面板形成基礎(chǔ)聯(lián)，其余整體吊裝的節(jié)段在基礎(chǔ)聯(lián)上拼焊。

鋼主梁架設(shè)完成后，斜拉索安裝，橋面板落后一個(gè)節(jié)段安裝。橋面板安裝、濕接縫澆注后的節(jié)段進(jìn)行斜拉索2張。通過(guò)既定的施工順序交替作業(yè)。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 靜力計(jì)算

4.1.1 有限元模型

結(jié)構(gòu)計(jì)算采用通用有限元程序MIDAS Civil建立了結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算桿系模型，如圖4所示，共建立了1 226個(gè)節(jié)點(diǎn)、1 216個(gè)單元，其中包含564個(gè)梁?jiǎn)卧?16個(gè)板單元以及36個(gè)桁架單元。斜拉索采用桁架單元模擬，混凝土橋面板采用板單元模擬，其余結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。

圖4 整體計(jì)算模型示意圖

在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散時(shí)，結(jié)構(gòu)主體均按實(shí)際尺寸計(jì)入，加勁肋、焊縫等構(gòu)造按荷載作用考慮?；炷翗蛎姘逋ㄟ^(guò)節(jié)點(diǎn)間建立的剛性連接與鋼主梁、鋼橫梁形成組合截面，共同受力。施工過(guò)程共劃分為38個(gè)施工階段。

4.1.2 計(jì)算荷載

恒載主要考慮一期恒載和二期恒載。二期恒載包括橋面鋪裝、防撞鋼護(hù)欄等，以外荷載的形式施加。

鋼主梁擬按橋面吊機(jī)懸臂拼裝方法施工，混凝土橋面板采用現(xiàn)澆方法施工。施工臨時(shí)荷載按每個(gè)橋面吊機(jī)的重量19 t考慮。

溫度作用考慮整體升降溫及梯度升降溫，溫度模式按規(guī)范取值，橋塔分別考慮縱橋向與橫橋向的梯度溫度，梯度升溫為5 ℃，梯度降溫為-5 ℃。

汽車(chē)荷載計(jì)入3車(chē)道的車(chē)道荷載作用，考慮橫向車(chē)道布載系數(shù)及沖擊系數(shù)的影響。

橫橋向等效靜陣風(fēng)荷載根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-01—2018)的有關(guān)規(guī)定計(jì)算，并以均布荷載形式施加，其中，主梁的橫橋向等效靜陣風(fēng)荷載集度取為6.12 kN/m，橋塔的橫橋向等效靜陣風(fēng)荷載集度取為10.51 kN/m。

4.1.3 主要靜力計(jì)算結(jié)論

經(jīng)計(jì)算，短暫狀況下：混凝土橋面板最大拉應(yīng)力為1.84 MPa，最大壓應(yīng)力為5.74 MPa；鋼主梁最大拉應(yīng)力為46.5 MPa，最大壓應(yīng)力為67.1 MPa，應(yīng)力指標(biāo)滿足規(guī)范。

持久狀況：承載能力極限狀態(tài)橋面板最大正彎矩Mj=111.11 kN·m<截面抗力MR=176 kN·m；鋼主梁上緣的最大拉應(yīng)力為122.6 MPa、最大壓應(yīng)力為179.2 MPa，下緣的最大拉應(yīng)力為174.7MPa、最大壓應(yīng)力為212.7 MPa，受力指標(biāo)滿足規(guī)范。

持久狀況：正常使用極限狀態(tài)頻遇組合下，橋面板最大負(fù)彎矩為-63.10kN·m。頻遇組合下混凝土橋塔的最大拉應(yīng)力為6.2 MPa，最大壓應(yīng)力為11.7 MPa，其最大拉應(yīng)力發(fā)生在塔柱與上橫梁的結(jié)合處。斜拉索最大應(yīng)力值為637.81 MPa，車(chē)道荷載作用下，主梁最大下?lián)现禐?.090 m。以上各力學(xué)及剛度指標(biāo)均在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

4.2 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算采用SAP2000進(jìn)行空間有限元分析。采用空間梁?jiǎn)卧M，混凝土橋面板采用面單元模擬。橋塔、橋墩、系梁、蓋梁采用空間梁柱單元進(jìn)行模擬，拉索采用桁架單元，橋塔和過(guò)渡墩均為樁基礎(chǔ)，采用彈性土彈簧考慮基礎(chǔ)柔度的影響，橋臺(tái)與過(guò)渡墩的支座均采用主從約束模擬。

采用里茲向量法進(jìn)行模態(tài)分析，得到主橋前6階自振周期見(jiàn)表1。

表1 主橋前6階自振周期(單位：s)

左右兩幅主橋一階振型均為縱移+豎向彎曲，左幅主橋一階周期為2.67 s，右幅為2.74 s；二階振型均為主梁橫向彎曲。左幅主橋第三階后主要振型為豎向彎曲，而右幅主橋多表現(xiàn)為橫向扭轉(zhuǎn)。

4.3 抗震計(jì)算

對(duì)應(yīng)E1、E2地震作用，考慮縱向+豎向輸入和橫向+豎向輸入兩種作用工況，分別采用反應(yīng)譜法和加速度時(shí)程法分析結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。進(jìn)行反應(yīng)譜分析時(shí)，振型組合按CQC進(jìn)行組合；地震輸入采用水平+豎向反應(yīng)譜輸入，方向組合采用SRSS方法；進(jìn)行加速度時(shí)程分析時(shí)，分別輸入三條加速度時(shí)程，采用線性模態(tài)法，計(jì)算結(jié)果分別得到取三條時(shí)程波地震響應(yīng)以及三條時(shí)程波的最大值。

結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算按兩水平設(shè)防，因而，驗(yàn)算中采用的相應(yīng)的材料強(qiáng)度均為規(guī)范中相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，不再考慮抗震的抗力提高系數(shù)?？v向地震檢算以時(shí)程結(jié)果為準(zhǔn)，橫向地震檢算以反應(yīng)譜和時(shí)程結(jié)果中的大值為準(zhǔn)。

經(jīng)計(jì)算：

(1) 在E1和E2地震作用下，左、右兩幅橋橋塔縱向最大彎矩出現(xiàn)在塔底截面，橫向最大彎矩出現(xiàn)在橋塔第二系梁處的下塔柱頂截面。右幅的過(guò)渡墩縱、橫向最大動(dòng)彎矩均出現(xiàn)在墩底截面。

(2) 對(duì)于結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)，左右幅主梁和小樁號(hào)支座縱向位移相近，E1地震作用時(shí)為3 cm，E2作用下為5 cm。

(3) E1和E2地震作用下，左右幅橋橋塔和過(guò)渡墩均通過(guò)截面抗彎承載力驗(yàn)算，截面未進(jìn)入塑性，橫向地震作用下截面的能力需求比與縱向相比較小。

4.4 動(dòng)力穩(wěn)定性分析[10]

考慮本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總體幾何布局對(duì)穩(wěn)定性存在一定不利的影響。同時(shí)，由于地震條件下結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題的復(fù)雜性以及本項(xiàng)目設(shè)防地震作用的強(qiáng)度，開(kāi)展第一類(lèi)動(dòng)力穩(wěn)定性分析。

動(dòng)力穩(wěn)定性分析中考慮恒載初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以E2橫向地震輸入下的地震力作為動(dòng)力穩(wěn)定加載的荷載形態(tài)?？紤]到地震在結(jié)構(gòu)中的軸力作用存在正負(fù)交替，致使動(dòng)力穩(wěn)定系數(shù)隨地震作用時(shí)程不斷變化，分析時(shí)偏于安全地將所有構(gòu)件的軸力按壓力考慮。

經(jīng)計(jì)算：動(dòng)力穩(wěn)定分析中，左右幅主橋的穩(wěn)定安全系數(shù)均較大，左幅第一階穩(wěn)定系數(shù)為74，右幅引橋穩(wěn)定系數(shù)23，主橋穩(wěn)定系數(shù)為56，在地震作用下不易失穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)家推行綠色公路，發(fā)展“四個(gè)交通”的政策要求，橋梁工業(yè)化，即結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化預(yù)制和機(jī)械化施工等被提上了日程。由于山區(qū)橋梁所處地理位置及地形、地貌的影響，其工業(yè)化往往還要求結(jié)構(gòu)的輕型化，以便于運(yùn)輸及安裝作業(yè)。鋼-混凝土組合梁+預(yù)制橋面板的結(jié)構(gòu)因其受理合理、鋼主梁自重較輕、工廠化程度高等特點(diǎn)，越來(lái)越多地被工程實(shí)際采用。對(duì)于橋梁跨徑較大，或周?chē)h(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)本身景觀性要求較高時(shí)，本橋橋型不失一個(gè)好的選擇。